KR20010088930A - InAlGaN계 p-n 다이오드의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Hydrazine 계열 Nitrogen Precursor와 Nitrogen Carrier Gas를 사용하여 p형 GaN:Mg를 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)으로 성장하는 방법에 관한 것이다. 본 발명으로 Nitrogen Precursor로 NH₃와 Carrier Gas로 H₂를 사용한 기존의 p형 GaN:Mg의 성장 시 일반적으로 필요한 Post Activation 공정의 생략이 가능하게 된다. 또한 본 발명을 이용하면 종래의 p형 GaN의 성장 온도(1000~1100 ℃) 보다 매우 낮은 온도(600~800 ℃)에서 p형 GaN의 성장이 가능하여, InAlGaN계 광소자에 일반적으로 사용되는 열적 안정성이 낮은 InGaN 활성층을 보호하여 고성능의 광소자를 성장할 수 있다.

본 발명은 새로운 p형 GaN:Mg성장법에 의한 InAlGaN계 p-n 다이오드의 제작에 관한 것으로 소자 공정의 간편성과 성능 개선에 목적이 있다.

Description

InAlGaN계 p-n 다이오드의 제조 방법{Fabrication method of InAlGaN p-n diode}

본 발명은 새로운 p형 GaN:Mg 성장법에 의한 AlGaInN계 p-n 다이오드 반도체의 제조 방법에 관한 것으로서, Hydrazine 계열 Nitrogen Precursor와 Nitrogen Carrier Gas를 사용하여 p형 GaN:Mg를 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)으로 성장하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 AlGaInN계 p-n 다이오드 발광 소자의 에피 구조는, 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, 절연성 기판인 사파이어 기판(10) 상에 buffer층(11), n형 GaN 층(12), n형 AlGaN 클래드층(13), InGaN(또는 GaN) 활성층(14), p형 AlGaN층(15), p형 GaN층(16)을 순차적으로 결정 성장 한 후, p형 금속전극(18)의 형성을 하고 n-GaN층에 n 전극(19)을 형성하는 구조이다. 상업용 발광 소자의 경우 기상 증착법의 하나인 MOCVD가 주로 이용된다. 이 경우 도2-1에 도시된 바와 같이 Nitrogen Precursor로 NH₃가 사용되며, GaN의 성장은 H₂가, InGaN의 경우 N₂가 Carrier Gas로 사용된다. NH₃는 열적으로 매우 안정되어 1000℃ 이상에서도 몇 %정도의 NH₃만이 열분해하여 Nitrogen Source로서 GaN 성장에 기여한다. 따라서 열분해 효율을 높이기 위해 고온 성장이 불가피하며 결정성이 좋은 GaN 성장을 위한 V/III ratio 또한 매우 높다(보통 4000). 이러한 다량의 NH₃는 또한 부산물로 다량의 수소를 내어, Carrier Gas로 사용되는 H₂와 더불어 Mg-H passivation의 한 원인을 제공하기도 한다. 이러한 고온 p형 GaN 성장법은 이미 성장된 InGaN 활성층에 적지않은 열적 damage를 제공하여 InGaN 발광 소자의 성능 저하에 한 원인이기도하다.

일반적으로 NH₃와 H₂carrier gas를 이용한 p형 GaN:Mg 성장 시 P 도펀트인 Mg은 수소와 Mg-H complex를 형성해 도펀트 Mg가 Passivation 되어, 매우 저항이 큰 물질로 된다. 이것을 p형 반도체로 변환하기 위해서는 thermal annealing을 사용한다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하고자 도2-2에서 도시된바와 같이 Hydrazine 계열의 Nitrogen Precursor를 사용하였고 Carrier Gas로 N2를 사용하였다. Hydrazine 계열의 Nitrogen Precursor를 사용하면 반응성이 매우 높은 NH₂radical이 형성되고, 그들의 낮은 분자 결합 에너지로 인해 낮은 온도에서 GaN를 성장할 수 있다. 한편으로 효율이 좋은 Nitrogen Precursor이므로 기존의 V/III ratio 보다 현저히 낮은 ratio(보통 20~50; NH₃의 경우 보통 4000)를 사용하여도 양질의 GaN의 성장이 가능하다. 더욱 중요한 것은 Hydrazine 계열의 Nitrogen Precursor와 Nitrogen Carrier Gas를 함께 사용하여 p형 GaN:Mg를 성장시키는 경우 부산물로 형성되는 수소의 양을 최소화할 수 있어, Mg-H Complex의 형성에 의한 Mg의 수소 Passivation을 역시 최소화할 수 있다. 이는 기존의 Post Annealing에 의한 Activation 공정을 생략할 수 있어, InAlGaN 계 p-n 다이오드 소자의 공정을 혁신적으로 개선할 수 있다. 또한 InGaN 활성층을 갖는 p-n 다이오드 소자의 경우 활성층의 성장 후 p-GaN:Mg를 성장하게 되는데, 이 성장법을 이용하면 저온에서 p형 GaN의 성장이 가능하여 열적으로 불안정한 InGaN 활성층을 보호하여 소자의 성능개선에 기여할 수 있다. 또한 기존의 p-GaN의 경우 성장 온도가 InGaN 활성층에 비해 매우 높아 n-활성층의 성장 후 p-GaN 성장 온도로 ramping 시 불가피하게 n형 계면이 고온에서 노출되어 고성능의 p-n 계면을 성장시키는데 문제점이 있었다. 그러나 Hydrazine계의 Precursor를 사용하면 활성층과 같거나 비슷한 온도에서 성장이 가능하고, Carrier Gas로 InGaN 활성층에 사용되는 N₂를 사용하므로 N₂-H₂switching이불필요하여 source의 고속 switching에 의한 양질의 p-n계면의 성장이 가능하다.

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도 1는 절연성 기판을 사용한 종래 방식의 AlGaInN계 LED 구조를 도시한 단면도.

도2는 MOCVD에서의 Source 주입 방식에 대한 도식도로서 도2-1은 기존의 방식이고 도2-2는 본 발명에서 안출한 방식이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

10 기판, 11 버퍼층, 12 n형 GaN층, 13 n형 AlGaN 클래드층, 14 InGaN 활성층, 15 p형 AlGaN 층, 16 p형 GaN층, 17 투명 전극, 18 p 전극, 19 n 전극

이와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명이 제공하는 것은 p-n 다이오드의 p형 GaN:Mg의 성장 시 Nitrogen Precursor로 Hydrazine계의 source와 Carrier Cas로 N₂를 사용하는 것을 특징으로 한다. Hydrasine계의 source의 예로는 Dimethylhydrazine, tertiarybutilhydrazine, monomethylhydrazine 등이 있다.

첨부된 도면 도 1은 일반적인 InAlGaN계 LED 구조로서 에피구조는 사파이어기판(10), buffer층(11), n형 GaN층(12), n형 AlGaN 클래드 층(13), InGaN(혹은 GaN) 활성층(14), p형 AlGaN 클래드층(15) p형 GaN층(16)으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시 예1

V족 Nitrogen Precursor로 NH₃, III족 금속(Ga, In, Al)로 금속 유기물, carrier gas로 H₂를 사용한 MOCVD 증착법으로 기판(10) 위에 적절한 완충층 (11), n-GaN층(12), n-AlGaN층(13)을 성장시킨 후, Carrier Gas를 N₂로 바꾸어, InAlGaN계의 활성층(다층 혹은 단층)(14)을 성장시킨다. 그 위에 다시 Nitrogen Precursor로 Hydrazine계 source와 Carrier Gas로 N₂를 사용하여 p-AlGaInN(15)층과 p-GaN층(16)을 성장시킨 것을 특징으로 한다.

실시 예2

위의 실시 예1와 동일하나 전 에피과정을 Hydrazine계 V족 Precursor와 III족 금속(Ca, In, Al)로 금속 유기물 Precursor, 그리고 Carrier Cas로 N₂를 사용하여 수행한다.

본 발명은 MOCVD법으로 InAlGaN계 p-n 다이오드를 성장할 때 V족 Nitrogen Precusor로 Hydrazine계 source를 사용하고 Carrier Gas로 Nitrogen을 사용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

(1) p-GaM:Mg 성장 시 수소에 의한 Mg 도판트에 의한 수소 Passivation을 최소화할 수 있어 Post Activation 공정을 생략할 수 있다.

(2) p-GaN:Mg를 InAlGaN계 활성층과 동일한 온도에서 성장시킬 수 있어 p-GaN의 고온 성장 시 발생되는 활성층의 열적 열화(damage)를 방지할 수 있고, 또한 고속 switching 성장이 가능하여 p-n계면의 성질도 개선할 수 있다.

Claims (2)

1. AlGaInN 계 p-n 다이오드 소자의 MOCVD법에 의한 p-Al(x)Ga(y)N:Mg(x+y=1,0≤ x <1, 0 ＜y≤1) 층의 성장 시 Hydrazine계 Nitrogen Precursor를 사용하고 Carrier Gas로서 Nitrogen을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 소자.
2. AlGaInN 계 p-n 다이오드 소자의 MOCVD법에 의한 In(x)Al(y)Ga(s)N(x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1) 에피성장 시 Hydrazine계 Nitrogen Precursor를 사용하고 Carrier Gas로서 Nitrogen을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 소자.